油气生产物联网技术在油气生产中的应用

2016/11/17 17:50:01

油气生产物联网技术在油气生产中的应用

李建华薛广民陈冰

（北京中油瑞飞信息技术有限责任公司北京 100007）

摘要：本文对目前国内油气田的生产管理现状进行了分析，构建了油气生产物联网系统的总体结构和技术方案。油气生产物联网系统由采集与控制子系统、数据传输子系统、生产现场监控与管理子系统组成，该系统具有生产动态实时监控、生产信息统计分析、生产工况实时诊断、关键告警集中展现、设备资产在线管理、生产调度指挥管理等功能，另外还有环境监控、气体监测、防盗防泄漏监控、故障预警、系统管理、数据管理、物联设备管理等功能，可使油气生产过程管理更加精细化、智能化，提高油气田生产决策的及时性和准确性，优化生产管理流程和组织结构，从而为油气生产的精细化管理奠定技术基础。

关键词：油气生产；物联网；采集与控制子系统；数据传输子系统；生产现场监控与管理子系统

The Application of Oil and Gas Production IOTTechnology in Oil and Gas Production

Chen Bing GuoYueming

(Beijing Richfit Information Technology Co., LTD, Beijing100007, China)

Abstract: This paper analyzed current managementsituation of domestic oil and gas production, and built the overall structureand technical programs of oil and gas production IOT system. The oil and gasproduction IOT system is mainly composed of acquisition and control subsystem, datatransmission subsystem and monitoring and management subsystem. This system hassome application functions, such as dynamic real-time monitoring of oil and gasproduction, statistical analysis of production information, real-time diagnosisfor the production conditions, smart optimization for process, concentratedexpression for critical alarm, production equipment management and productioncommand and control. This system makes the oil and gas production processmanagement more sophisticated and intelligent, improves the timeliness andaccuracy of oil and gas production decisions, optimizes production managementprocesses and organizational structure, and lays the technological foundationfor sophisticated management of oil and gas production.

Key words: Oil and gas production; IOT; Acquisitionand control subsystem; Data transmission subsystem; Monitoring and managementsubsystem

随着射频识别、红外感应器、激光扫描器等信息传感设备的出现以及互联网的广泛普及，物联网已成为未来信息化发展的必然趋势。中国石油集团在“十二五”信息化规划中成立了物联网项目，率先开展了物联网的应用研究，致力于建设油气生产物联网系统。在目前的油气生产中，油气生产流程主要包括油气举升、注入、计量、油气集输、油气处理等部分，这些生产环节大部分使用传统生产工艺，现有生产组织形式主要由人工管理，效率较低，稳定性较差，安全风险高。有些油田为满足自身的生产需求，已建立了各自的生产现场监控与管理系统和视频监控系统并投入使用。这些由软件开发公司和油田用户结合各自油田生产的特点和实际情况合作开发的系统，主要是为了满足各级目标用户生产运行管理的实际需要，由于所处地域气候条件、油藏地质以及社会环境差异各不相同，因此各油田开发的系统功能有一定差异，还没有形成一个统一、开放的系统^[1-5]。

根据中石油集团公司“十二五”总体规划以及目前各油气田的实际要求，亟需加快开发统一、开放的油气生产管理信息平台，将先进信息技术与实际工业生产相融合，提高生产操作的自动化程度，保证油气生产持续、安全、稳定、高效的运行，提高油气田生产决策的及时性和准确性，优化生产管理流程和组织结构，从而为油气生产的精细化管理奠定技术基础。

1、油气生产物联网系统的体系架构

油气生产物联网建设通过在井场、站库等现场安装数据自动采集、监控装置及自动化控制设备，实时采集各项生产数据和工业视频信号，通过网络将这些数据、信号传输到后方的生产调度指挥中心或中央控制室进行集中管控，应用生产运行管理系统对收集的信息进行汇总、综合处理与分析，提供生产指挥决策支持，达到生产操作自动化、生产运行可视化、管理决策系统化的目的^[6,7]。

油气生产物联网系统由感知层、传输层和应用层组成，油气生产物联网系统的体系结构如图1所示。感知层由安装在油气生产设备上的各种感知设备和控制设备组成，通过有/无线温度变送器、有/无线压力变送器、流量计等传感器，自动采集油气水井、集输管网及油气处理站库的生产数据，从而实现对生产状态的全面感知以及对各种设备的自动控制；传输层采用有线数据传输和无线数据传输相结合的方式，将现场传感器采集到的井场、站库生产数据及视频信号传输到油气田监控指挥中心。其中，距站距离较近的井场以及站库之间通过有线网络相连，主要采用光缆传输；井场和边远站库的生产和视频数据通过无线异构网络进行传输，无线传输技术包括多载波无线信息本地环路（McWiLL）、全球微波互联接入（WiMAX）、通用分组无线服务（GPRS）、数传电台等；应用层主要功能包括生产动态实时监控、生产信息统计分析、生产工况实时诊断、关键告警集中展现、设备资产在线管理、生产调度指挥管理等，另外还有环境监控、气体监测、防盗防泄漏监控、故障预警、系统管理、数据管理、物联设备管理等功能，可使油气生产的管理更加精细化、智能化。

图1 油气生产物联网系统体系架构图

Fig. 1 The Structureof Oil and Gas Production IOT System

2、油气生产物联网系统的功能架构

油气生产物联网系统的总体功能为：将油井、阀组间、中转站、联合站、水源井以及管线等站点设备单元的生产数据和视频图像实时采集并集中起来，通过有线或无线传输与油田企业网相连接，通过分析、计算将数据分类组合，并以文字、报表、图形、图像等方式即时显示出来，实现对生产设备单元的远程监测与控制；同时对各设备单元的数据进行整合、计算，为生产部门提供相应辅助分析功能；另外通过系统的电子巡检功能和视频智能分析功能将各设备单元产生的故障、异常数据、非法入侵等进行预警和报警；并最终实现源头数据一次采集、全局授权共享和对各应用系统的无缝支持。

油气生产物联网系统的功能设计需满足油气田的日常生产运行、生产管理、生产监控、设备管理、成果展示等需求，根据目前油气生产的实际现状及生产过程中所反映出来的不足和问题，油气生产物联网的建设应立足于解决如下问题：

（1）实时显示生产概况，如采油气厂的生产状况、产量、注水量等；

（2）在高危环境、重点区域实现对生产环境的可燃、有毒气体监测及视频监控；

（3）自动生成、存储、查询井、站、作业区的生产报表及曲线；

（4）自动控制生产过程，对关键生产过程实现闭环控制，提高生产运行的可靠性和稳定性；

（5）生产设备故障预警和报警；

（6）定时进行设备自检，对网络设备、现场仪表等设备定时自动巡检和故障原因定位。

油气生产物联网系统从功能上可划分为三个子系统：采集与控制子系统、数据传输子系统和生产现场监控与管理子系统，油气生产物联网系统的功能结构如图2所示。

图2 油气生产物联网系统功能结构图

Fig. 2 The Functionsof Oil and Gas Production IOT System

2.1 采集与控制子系统

采集与控制子系统包含四个主要功能：生产数据自动采集、生产环境自动监测、生产过程自动控制、物联设备状态监控。

（1）生产数据自动采集：通过有/无线温度变送器、有/无线压力变送器、流量计等传感器，自动采集油气水井、集输管网及油气处理站库的生产数据。

（2）生产环境自动监测：通过摄像头、危害气体检测装置、自动报警装置等，自动采集生产现场的环境信息，并将这些信息实时传输到实时数据库，实时监测重点油气井、高危井、重点站库、关键路口的生产环境，对有毒、有害气体及污染源、空气质量等实施在线监控，可及时发现生产现场的人为破坏、可燃有毒气体浓度超标等情况。

3）生产过程自动控制：通过ESD、控制阀等自动化控制设备，对油气水井、站库、处理站、联合站等生产过程实现自动控制和无人值守，降低用工需求和劳动强度。

4）物联设备状态监控：监控网络中所有设备的工作状态、入网标识、空间位置等信息，实现对这些设备的远程集中管理和维护，保证系统安全、可靠、高效的运行。

2.2 数据传输子系统

数据传输子系统采用有线数据传输和无线数据传输相结合的方式，将现场传感器采集到的井场、站库生产数据及视频信号传输到油气田监控指挥中心。其中，油气生产物联网建设中有线传输主要部署到各油气田的采集站、中转站、联合站、注水站、集气站等站区，对于距离各站区较近、油气水井产量大、需重点关注的油气水井也可考虑采用有线传输进行部署。

井场和边远站库的生产和视频数据采用无线方式进行传输，无线传输技术包括多载波无线信息本地环路（McWiLL）、全球微波互联接入（WiMAX）、通用分组无线服务（GPRS）、数传电台等。采用无线传输部署的油、气、水井通过无线传输方式将油气生产物联网系统采集到的生产数据传输到中心基站，中心基站通过有线连接到集团公司核心网，将生产数据传输到油气生产物联网管理系统。

2.3 生产现场监控与管理子系统

生产现场监控与管理子系统包括三大功能：工况分析预测优化功能、物联网网络及设备管理功能和生产运行管理功能。

（1）工况分析预测优化功能

生产现场监控与管理子系统可对从生产现场采集并传输到实时数据库的油气水井、计量间、处理站库和集输管网的生产数据进行分析优化预测。计量间、处理站库的工况分析预测优化功能主要是实现现场的实时远程数据采集、工况诊断、运行参数优化、智能控制以及出现故障时的应急自动处理；油气水单井的工况分析预测优化功能主要是实现油气井生产数据的实时管理、实时分析、实时优化、实时控制、智能预测等，从而实现精细化、智能化管理。

（2）物联网网络及设备管理功能

生产现场监控与管理子系统具备物联网网络管理和设备管理功能。物联网网络管理主要是指对网络拓扑、网络协议、网络时间同步、网络安全、网络健康状态、节点健康状态、网络信道、节点功能配置等的管理。网络管理水平与运行状态对油气生产物联网平稳、可靠地运行起着至关重要的作用。设备的管理主要是指对压力仪表、温度仪表、流量计、示功仪、摄像头、有害气体检测仪以及RFID读写器、网关、路由等物联网终端设备的状态和运行情况的监控。设备管理除了管理节点上的传感器、执行机构，也包括对节点能耗（尤其是电池供电节点）和信道质量的监控。另外，通过对车辆、油区、厂矿实施RFID标签管理，借助GPS和GIS系统，对于应急辅助快速检索事故点周边的救援信息，诸如医疗资源、消防资源、车辆资源，从而制定出相应的应急预案，以实现对应急物资、应急队伍等起到很好的调度作用；也可通过RFID技术、GPS定位技术、无线传输技术来全程跟踪监测危险品的移动、运输过程，以及危险品的有效处理。

（3）生产运行管理功能

生产现场监控与管理子系统可生成油气生产的业务状态报告，对生产动态进行实时监控，对生产信息进行统计分析，实时诊断生产工况，实现关键告警集中展现以及对设备资产的在线管理和生产调度指挥管理功能。该子系统将应急预案可视化，可对应急计划实施状态追踪以及对应急计划进行模拟演练；可对日\周\月\季\年业务经营情况进行分析，全景展示生产过程（包括地理、流程、组织、绩效、治理及运营成果等）。实时数据库和监控中心部署在油气生产部门，同时能将数据上传到总部的数据中心，从而及时了解生产动态，实现生产管理、分析优化以及指挥调度的功能。

3、目前存在的问题

（1）传感器问题：目前在单井中常用的无线温度及压力传感器均使用自身所携带的电池提供电力，因此如何降低传感器功耗，延长设备使用寿命是一个亟待解决的技术问题。另外，由于传感器制造对技术工艺要求很高，因此传感器的生产目前还处于定制生产阶段，单个传感器的成本相对较高，难以满足大规模在油田部署的需求。

（2）信息安全问题：由于油气生产物联网系统具备自动采集、传输生产数据以及自动控制生产过程的功能，因此信息安全问题至关重要。由于集团公司各油气田所包含的单井数量较多，分布范围较广，如果使用全有线传输进行部署，实施投资成本高、部署周期长、实施难度大、扩展能力差，不适合对各油气田所有单井进行部署，因此大多采用无线数据传输的方式。但是由于信道的开放性使得通信链路存在非常严重的安全隐患，故需要在调制和编码方式上采取相应的安全措施，利用高安全等级的编码方式和调制方式来保证通信信道的安全性。信元数据在空中传输时，如果不进行加密和处理就很容易被窃听和攻击，所以在系统设计时应该首先考虑对信元数据进行必要的安全处理。由于受到终端接入设备计算能力的限制，通常无法采用复杂的安全认证机制，这也是目前在信息安全技术上遇到的一个挑战。

（3）行业标准不统一：由于油气生产物联网系统的建设涉及到多学科、多专业，解决方案也各不相同，因此标准相对分散，开放性较差。目前我国并没有相应的国家标准或者行业标准可供参照，因此为了实现不同厂商油气生产物联网产品的互联互通，降低系统运维成本，亟需统一油气生产物联网系统的建设标准。

4、结束语

本文对目前国内油气田的生产管理现状进行了分析，构建了油气生产物联网系统的总体结构和技术方案, 讨论了油气生产物联网系统面临的一些技术问题。油气生产物联网系统将物联网技术应用于油气生产，可以实现对油气水井、计量间、油气站库、油气管网等对象生产数据的自动采集、传输、处理，可以实现生产动态实时监控、生产信息统计分析、生产工况实时诊断、关键告警集中展现、设备资产在线管理、生产调度指挥管理等功能，另外还有环境监控、气体监测、防盗防泄漏监控、故障预警、系统管理、数据管理、物联设备管理等功能。油气生产物联网系统可使油气生产过程管理更加精细化、智能化，提高油气田生产决策的及时性和准确性，优化生产管理流程和组织结构，从而为油气生产的精细化管理奠定技术基础。